Proceso híbrido de mecanizado de alta velocidad/mecanizado láser para la fabricación de moldes

I. Etxeberria, I. Etxarri, G. Alberdi, J. Etxeberria.
Fundación Tekniker
15/11/2006
La implantación de la tecnología del mecanizado a alta velocidad en las líneas de producción de moldes ha permitido obtener una reducción considerable en el tiempo de fabricación y una mejora en el acabado superficial. Pero, todavía existen problemas respecto a la limitación del diámetro mínimo de herramienta y la necesidad de controlar el desgaste y rotura de herramienta que se puede producir durante la operación de fresado. En este sentido, el mecanizado láser presenta la oportunidad de mejorar el proceso de fabricación actual de moldes al poder disponer de una herramienta de muy pequeño diámetro y que no sufre desgaste alguno. Por todo ello, el proceso combinado de fresado a AV y mecanizado láser podría ser la solución, siendo este nuevo proceso híbrido adecuado para la obtención de moldes con complejos detalles.
Este trabajo presenta el estudio del proceso de mecanizado láser realizado sobre un acero de moldes (X153CrMoV12) con el objeto de determinar los parámetros de proceso más adecuados. Como requisitos de proceso se consideran el acabado superficial y el tiempo de mecanizado. Así mismo, la metodología del Diseño de Experimentos permite identificar los parámetros de proceso más influyentes y su relación con los resultados obtenidos.

Los fabricantes de moldes sufren cada vez mayores exigencias por parte del cliente final, en cuanto a calidad, precisión, y coste de la pieza final. Ello conlleva que estén continuamente buscando soluciones de mejora del proceso de fabricación. A su vez, los fabricantes de máquina herramienta están introduciendo nuevas tecnologías que permitan obtener máquinas híbridas, capaces de llevar a cabo operaciones de distinta índole en la misma máquina.

Aunque, las herramientas de corte actuales superan con creces las limitaciones que tenían hace unos años, pudiendo disponer fácilmente de herramientas de fresado de diámetros de hasta 0.5mm, las exigencias propias de las máquinas para dichas herramientas son muy altas. Además, puede que se produzcan desgastes y/o roturas de herramienta, o no se maximicen los ratios de producción.

El haz láser presenta la gran ventaja de ser una herramienta de trabajo sin contacto, de diámetro muy pequeño, que no sufre ni roturas, ni desgastes durante el proceso de mecanizado.

Al combinar las tecnologías del mecanizado y el láser en una misma máquina, se obtiene una máquina híbrida capacitada para llevar a cabo operaciones complementarias entre sí. La máquina DMU60L de Deckel Maho, disponible en Tekniker es un claro ejemplo de máquina híbrida fresado/láser.

En este artículo se recoge el estudio realizado en la búsqueda y obtención de los parámetros de proceso más adecuados del mecanizado láser. Se identifican dichos parámetros de proceso y se relacionan con los resultados. El estudio presentado es un estudio que se ha llevado a cabo específicamente para la máquina DMU60l.

Se planifica una amplia batería de experimentos, que tienen por objeto identificar los parámetros de proceso que presentan el mejor resultado en cuanto a acabado de pieza (menor rugosidad), y tiempo de mecanizado (menor tiempo de mecanizado).

Procedimiento Experimental

Equipamiento disponible

El equipamiento disponible en Tekniker, tal y como se muestra en la figura 1, es una fresadora modelo DMU60L de Deckel Maho, que dispone de dos cabezales: cabezal de Mecanizado a Alta Velocidad y cabezal láser.

Cabezal de fresado a Alta Velocidad

Cabezal de 28kW de potencia que permite llevar a cabo el mecanizado a alta velocidad, pudiendo trabajar hasta a 18.000rpm, con una velocidad de avance de trabajo de 25m/min.

Sistema Láser

Se dispone de un láser pulsado en estado sólido de Nd:YAG, con una longitud de onda de 1,064ºm, bombeado por lámpara, cuya potencia media es de 100W, y que ajustando la frecuencia del Q-Switch puede conseguir potencias de hasta 20kW.

El cabezal láser dispone de:

• Palpador: permite medir la profundidad mecanizada.

• Cámara de visión: permite la precisa colocación de la pieza.

• Escaner de espejos: crea un área de trabajo de aproximadamente 70mm2.

Cuando se requiere un área de trabajo mayor, la máquina realiza desplazamientos en sus ejes X-Y, según las necesidades del haz láser.

Se dispone de la opción de elegir el tamaño del diámetro del haz:

• Pequeño: 40ºm.

• Grande: 100ºm.

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Figura 1. Máquina híbrida DMU60I

Software

El cabezal láser se controla mediante la aplicación LaserSoft 3D, realizándose también la búsqueda de los parámetros de proceso mediante este control.

A su vez, los programas de mecanizado son creados mediante la aplicación LPSWin.

Dicha aplicación permite, tal y como se indica en la figura 2, partiendo de un fichero CAD (volumen 3D), crear ficheros “tpf” que contienen las estrategias de mecanizado y los parámetros de proceso asignados, todo ello por capas. Por último, se crean unos programas “l4d”, que crean trazos láser compatibles con la máquina.

Estudio del proceso

Material

El material estudiado es un acero de herramientas para trabajo en frío, de calidad X153CrMoV12, que presenta un estado de temple y revenido, con una dureza de 46 HRc.

La forma de las probetas es rectangular, con dimensiones 80x70x20 mm, que posibilitan su posterior caracterización en el microscopio electrónico de barrido (SEM) y en el microscopio confocal.

Procedimiento experimental

El procedimiento seguido en la realización de la experimentación consiste en la definición de unos parámetros de proceso iniciales, suministrados por el fabricante, que se van optimizando según los resultados obtenidos.

El objetivo es que los valores de rugosidad y tiempo de mecanizado sean tan pequeños como sea posible.

De entre todos los parámetros de proceso, se eligen como variables independientes a estudiar:

• Espesor de capa.

• Distancia entre haces.

• Velocidad del haz.

Se define un círculo de 5 mm de diámetro como forma geométrica a mecanizar.

Previamente al mecanizado del círculo, se lleva a cabo una búsqueda de tecnología, donde se ajustan los parámetros (frecuencia, intensidad, parámetro First Pulse Killer (FPK)) para el material objeto de estudio.

Analizando las tendencias, y resultados obtenidos, se han ido ajustando los parámetros hasta obtener valores de rugosidades adecuados.

En cuanto a la caracterización de las probetas, mediante un Perfilómetro sin contacto de la marca PLº se han obtenido imágenes confocales que permiten medir la rugosidad.

A su vez, mediante el microscopio electrónico de barrido JEOL JSM-5600LV, se han obtenido fotografías de la calidad superficial.

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Figura 2. Creación de programa de mecanizado.

Resultados experimentales

La forma a mecanizar es un círculo de 5mm de diámetro. Para cada grupo de parámetros de proceso, se han realizado tres repeticiones, con el objeto de valorar la repetitibilidad de los resultados obtenidos. Dos de los ensayos se han realizado con una profundidad de mecanizado de 0,2mm, mientras que el tercer ensayo se ha llevado a cabo con una profundidad de 0,4mm.

Debido a que el objetivo inicialmente propuesto era mejorar la rugosida, al constatar que a diferente valor de profundidad de mecanizado, el valor de la rugosidad obtenida varía, la mayor parte de la experimentación se ha realizado con una profundidad de 0,2mm.

Los parámetros de proceso iniciales son los indicados por el fabricante de la máquina para un acero común, y figuran en la tabla 1.

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Tabla 1. Parámetros de proceso iniciales
El valor de la rugosidad Ra obtenido con estos parámetros es de aproximadamente 2,2 micras. La imagen de la figura 4 muestra una imagen de rugosidad obtenida con el microscopio confocal para estas condiciones iniciales.
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Figura 3. Imagen de la rugosidad
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Figura 4. Imagen de la rugosidad
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Figura 5. Imagen de la rugosidad
En cuanto al tiempo de mecanizado, con las condiciones de proceso iniciales se necesitan 12 minutos para el mecanizado de la forma geométrica definida.

Después de una extensa experimentación, se consigue un conjunto de parámetros de proceso, con el que se obtiene una Ra de aproximadamente 1ºm. En la figura 5 se muestra una imagen correspondiente a este valor de rugosidad.

Se han obtenido diferentes grupos de parámetros de proceso que nos dan una rugosidad de aproximadamente 1ºm, habiendo entre ellos diferencia en cuanto al tiempo de mecanizado. El tiempo de mecanizado varía de 25 minutos a 42 minutos.

A su vez, el menor tiempo de mecanizado se consigue con una combinación de parámetros que presenta una rugosidad de aproximadamente 3,4ºm, que se muestra en la imagen de la figura 6.

Por último, se han comparado las imágenes obtenidas con el microscopio electrónico de barrido, donde se puede apreciar que la superficie obtenida con las condiciones que presentan la rugosidad más pequeña es más uniforme que cuando la rugosidad tiene un valor más grande.

En el caso del mecanizado en menor tiempo, se aprecian unos agujeros en la superficie mecanizada.

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Figura 6. Imágenes obtenidas con SEM: a) condiciones iniciales, b) mejor rugosidad, c) menor tiempo

Mecanizado de Molde Ejemplo

Por último, se muestra un molde ejemplo mecanizado mediante la tecnología híbrida. El material mecanizado es el mismo acero que el estudiado mediante experimentación.

Parte del molde se mecaniza mediante herramienta de corte, realizándose una primera operación de desbaste, y una posterior de acabado. Se completa el mecanizado mediante el haz láser.

En las siguientes tablas y figuras se muestran las parámetros de proceso utilizados, y las imágenes del molde en diferentes fases de su fabricación.

Herramienta cilíndrica de metal duro de Ø2mm, con 4 filos de corte

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Tabla 1. Operación de desbaste
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Figura 7. Molde después del desbaste

Herramienta cilíndrica de metal duro de Ø 1 mm, con 2 filos de corte

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Herramienta esférica de metal duro de Ø 1 mm, con 2 filos de corte

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Tabla 2. Operación de acabado
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Figura 8. Molde después del acabado
Parte del molde se mecaniza mediante herramienta de corte, realizándose una primera operación de desbaste, y una posterior de acabado. Se completa el mecanizado mediante el haz láser
Los detalles más pequeños, como los que se muestran en la figura 9, se mecanizan por láser.
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Figura 9. Detalles mecanizados por láser

Conclusiones

Como conclusión general, mencionar que el proceso híbrido de mecanizado por arranque de viruta y mecanizado láser es factible para la obtención de moldes con formas geométricas pequeñas y complejas.

La operación de fresado a alta velocidad consigue una tasa alta de arranque, mientras que el mecanizado láser permite la obtención de pequeñas figuras complejas.

De todas maneras, es necesario realizar un estudio de viabilidad por cada una de las piezas de interés, debido a que el láser es un proceso muy lento, y no es válido para el mecanizado de profundidades a partir de 5 mm.

Como conclusiones particulares del proceso que se obtienen, después de analizar las tendencias seguidas por los resultados en función de los parámetros de proceso, son:

Rugosidad

• A menor espesor de capa, menor es el valor de la rugosidad.

• A menor valor de distancia entre haces, menor es el valor de la rugosidad.

• La velocidad no influye mucho en el valor de la rugosidad.

• La rugosidad obtenida con el haz de mayor diámetro, es peor que con el diámetro pequeño.

• A menor profundidad de mecanizado, menor es la rugosidad.

Tiempo

• El diámetro del haz no influye en el tiempo de mecanizado, para el mismo valor de h.

• El tiempo de mecanizado es menor, cuando el espesor y la distancia entre haces es mayor.

Agradecimientos

Se agradece a la convocatoria Etortek del Gobierno Vasco, la subvención realizada al CIC Margune, que ha permitido abordar nuevos procesos de fabricación, entre los cuales se encuentra el Mecanizado Híbrido Fresado/Láser.

Empresas o entidades relacionadas

DMG Mori Seiki Ibérica, S.L.U.
Fundación Tekniker

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